一、汽车连接螺栓拧紧力矩等级划分方法
汽车螺栓连接决定了汽车质量的好坏,一般根据其重要程度划分为A、B、C级三类,即安全、重要、一般级连接。
A级:一旦发生连接故障极有可能导致安全技术失效或者导致整车的破坏,从而对生命或者肢体造成直接或者间接危害的螺栓连接。
B级:一旦发生连接故障会导致汽车功能失效的螺栓连接。
C级:一旦发生连接故障会导致用户投诉或抱怨的螺栓连接。
螺栓连接有效就要让螺栓连接的零件间在使用过程中持续保持足够的夹紧力。由于夹紧力不好检测,通常是通过检测拧紧力矩及残余力矩的方式来衡量螺栓连接的有效性。
螺栓连接等级是根据产品设计的重要程度划分的,由产品设计师根据产品特性确定。在工艺设计时总装工艺人员也要根据产品特性将螺栓连接的拧紧力矩划分为安全力矩项、重要力矩项、一般力矩项,并用不同的符号标记工艺文件上,同时要针对这三类力矩项采取不同的拧紧工艺和管控方法,选用的拧紧工具精度要高于拧紧力矩要求的精度,制订的拧紧工艺要能保证检测的拧紧力矩在合格范围内,并持续保持连接零件间的夹紧力不衰减。
对于汽车底盘件的螺栓连接,基本上都是金属件之间的连接,在与车身连接时会遇到多层板件的问题,这样连接时不仅要克服拧紧摩擦力,还要克服消除多层钣金间的间隙所到来的变形阻力,这就增加了汽车底盘件的拧紧连接的复杂性。
另外在连接贴合面及多层钣金间的可能存在的异物和不平整、连接螺栓的摩擦系数的稳定性、拧紧时螺栓在旋进过程中是否存在阻碍等因素都会导致按照正常工艺拧紧的连接失效。
因此在制订底盘零件的拧紧工艺时需要特别的小心,要充分考虑如何消除影响连接有效性的这些不利因素。
二、汽车底盘螺栓连接拧紧工艺的发展历程
汽车底盘零件连接螺栓拧紧力矩基本上是安全力矩(A类连接)或重要力矩(B类连接),正常使用情况下螺栓连接不能失效。随着拧紧工具及拧紧技术的进步,汽车生产上的底盘连接螺栓拧紧工艺也经历了以下几个发展阶段。
1)一次冲击法拧紧工艺阶段:
采用冲击式气动扳手或油压脉冲气动扳手拧紧,由于冲击式气动工具和油压脉冲式气动工具都不是定扭拧紧工具,拧紧力矩不能得到有效控制,冲击式气动工具的拧紧力矩只有一个大概的范围,拧紧力矩几乎不受控制,全靠工人的手感。油压脉冲式气动工具拧紧力矩精度虽然比冲击式气动工具的精度提高了不少,但拧紧力矩仍然偏差很大 ,拧紧后的轴向夹紧力分散度>±35%,存在未正常拧紧或螺栓滑丝 、拉断等连接风险。
冲击式气动扳手的拧紧精度差、噪音大,现在汽车生产线上已很少采用。油压脉冲式气动扳手虽然拧紧精度得不到保证、噪音也大,但具有价格相对较低,拧紧速度快、拧紧时的反作用力少、易于操作等优点,生产线上还有使用,有些汽车公司选择其用于一般力矩项的拧紧,也可作为预拧紧工具使用。
如采用油压脉冲工具作为重要力矩项的预拧紧工具,建议选用较小力矩值的油压脉冲气动扳手初次拧紧至连接螺栓贴合,再采用手动力矩扳手拧到规定力矩值的中间值, 并配合制定严格的力矩抽检制度以保证产品出厂质量。
2)二次扭矩法拧紧工艺阶段
采用定扭式气动扳手一次拧紧+力矩扳手手动二次拧到规定的力矩, 一般用定扭气动扳手拧到规定力矩的下限或中限,再用力矩扳手拧到规定力矩值,定扭气动拧紧工具精度大约为± 10%,手动力矩扳手精度大约为±5%,采用该工艺,拧紧力矩能够得到较好的保证,拧紧后的力矩精度为± 15%,但受螺栓摩擦系数影响较大,以及与连接件之间存在的间隙等质量状态的影响,得到的轴向夹紧力的分散度可达±25%,需要配合实施强有力的力矩检测工艺,才能保证关键、重要力矩项的拧紧质量。
对于拧紧力矩较小的拧紧项目,也可采用手持充电式定扭电枪扳手一次拧紧+手动力矩扳手二次拧紧的工艺,手持充电式定扭电枪扳手力矩精度高(大约±8%),操作方便、噪音低,已得到了越来越广泛的应用。
该方法需要二次拧紧,效率低,受人为影响因素大,而且拧紧力矩不能自动记录,不能建立有效追溯。一旦出现质量问题,缺少数据分析的基础。
3)电动拧紧轴扭矩法拧紧工艺阶段
电动拧紧轴拧紧工具精度大约为± 5%,用于力矩精度范围要求较高的安全项或重要项的螺栓拧紧,拧紧力矩能够得到较好的保证,拧紧力矩精度可达±10--15%。电动拧紧轴一般都带有控制器,可以根据工艺需要设计拧紧曲线和自动监控指标,拧紧力矩、拧紧角度、拧紧时间、拧紧过程等参数都能根据具体的拧紧工艺需要进行设定,而且不同的车型可以设计不同的拧紧曲线,实现了车型拧紧曲线自动调取、拧紧数据即时测量、自动记录、拧紧过程自动监控和报警,可建立有效的力矩追溯系统。一旦出现质量问题,可以调取数据分析。该拧紧方法受摩擦系数影响很大,也不能完全克服被连接件间的间隙、阻碍物所消耗的拧紧力矩,得到的轴向夹紧力分散度±25%左右 ,如果拧紧曲线设计的不合理会导致假拧紧,特别是来件质量出现波动时,可能出现连接失效的情况。
采用电动拧紧轴拧紧工艺,不仅要合理地设计拧紧曲线,尽量消除拧紧过程中的不利影响因素,而且要制定拧紧角度的监控范围,发现问题及时报警,分析原因,防止不合格拧紧项流出。
3)电动拧紧轴扭矩+角度控制法拧紧工艺阶段
扭矩—转角控制法是在扭矩控制法上发展起来的,应用这种方法,首先是把螺栓拧到门槛扭矩(大约为目标扭矩50--70%左右)后,再从此点始,拧一个规定的转角的控制方法。基于门槛扭矩 + 规定的转角,使螺栓产生一定的轴向伸长及连接件被压缩,从而产生所要求的螺栓轴向夹紧力。应用这种方法拧紧时,设置门槛扭矩的目的是要把螺栓或螺母拧到紧密接触面上,并克服开始时的一些如表面凸凹不平、钣金间隙、摩擦系数变化等不利因素,通过拧紧转角获得精度较高的螺栓轴向夹紧力。由于转角是一个定值,监控到***终拧紧力矩的是分散的,得到的螺栓轴向预紧力影响精度比单纯的扭矩法高,一般分散度能控制在10%--15%范围内。
扭矩+转角控制法拧紧工艺主要用于安全力矩项的拧紧,由于采用该工艺,要求电动拧紧轴的精度高及力矩范围大,需要选用比力矩法更大的工具型号,价格也比较高,一次性投资大,很多公司难于接受,长期来看,采用扭矩+转角法用于底盘件连接螺栓安全力矩项的拧紧是一个趋势。另外采用该方法,门槛扭矩和转角度值的设定需要通过计算及实验才能确定,需要***测量扭矩和转角两个参数,增加了采用此方法的复杂性,质量部门也不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查,全靠拧紧工艺及工具保证拧紧质量。
三、拧紧数据自动采集与分析预警
当采用电动拧紧轴扭矩法或扭矩--转角法拧紧工艺时,都可以实现即时采集拧紧数据、分车型上传和存储这些数据。生产线上每天都会生产大量的车辆,产生的拧紧数据不仅可以用于追溯,更重要的是可以利用这些数据进行建模分析,开展拧紧质量趋势预警,防止出现批量质量问题。
采用扭矩控制法时,电动拧紧轴测得的***终动态扭矩基本上是目标定值,同时监控到达目标扭矩时的转角是一个变化的值,其变化趋势就可以用于预测分析零件状态或工具的变化。
采用扭矩--转角控制法工艺时,电动拧紧轴测得的***终动态转角基本上是目标定值,同时监控到达目标转角时的扭矩是一个变化的值,其变化趋势也可以用于预测分析零件状态或工具的变化。
通过对拧紧过程中监控数据变化趋势的分析,或与标准拧紧参数数模自动进行比较,就可以及时发出预警信息,引导技术人员进行相关因素分析,避免产生趋势性拧紧事故。
随着拧紧技术进步和工艺规划设计水平的提升,总装线上会出现越来越多的高度自动化、信息化、智能化水平的智能拧紧工作站,不仅取代人的拧紧工作,而且会通过积累的数据进行自我深度学习和分析判断,预防发生批量拧紧质量问题。
工程师们在设计汽车底盘件的拧紧工艺时,首先要做好拧紧力矩项目的分类,制订正确的拧紧工艺,选择合适的拧紧工具,并要制订力矩检查监控计划。对于一般力矩项,建议采用电动或气动定扭式扳手一次扭矩法拧紧工艺;对于重要力矩项可以采用电动拧紧轴扭矩法拧紧工艺,如受一次投资额的限制太多,也可降级采用气动或电动定扭式力矩扳手+手动力矩扳手二次扭矩法拧紧工艺;而对于安全力矩项则建议采用扭矩+转角控制法拧紧工艺,门槛扭矩和转角的确定要通过***计算和实验确定,并在多轮试车试制中得到检验,保障底盘件的螺栓连接质量,避免由于连接不良而产生的异响及连接失效而产生的安全风险。
总之,汽车底盘零件的螺栓连接拧紧工艺是需要认真对待,不管采用什么拧紧工艺,都是为了让被连接的零件获得足够的螺栓轴向夹紧力,防止汽车在长期的使用过程中受到动态载荷作用下导致的螺栓连接失效。对于新开发的车型需要在设计阶段就开始规划需要采取什么样的螺栓连接拧紧力矩质量保证方法,并在不同的试制阶段进行验证确认。